Den perfekte laser findes ikke. Der vil altid være en smule fasestøj, fordi laserlysets frekvens flytter sig lidt frem og tilbage. Fasestøjen forhindrer laseren i at frembringe lysbølger med den fuldkomne taktfasthed, som ellers er laserens kendetegn.
De fleste af de lasere, vi bruger i det daglige, behøver ikke at være voldsomt præcise. Det har f.eks. ingen betydning, om frekvensen af det røde laserlys i supermarkedets stregkodescannere varierer lidt, når stregkoderne skal aflæses. Men til visse anvendelser f.eks. i optiske atomure og optiske måleinstrumenter er det helt afgørende, at laseren er stabil, så frekvensen på lyset ikke varierer.
En måde at komme tættere på en ultrapræcis laser er, hvis man kan lære fasestøjen at kende. Så kan man måske finde en måde at kompensere for den, så resultatet bliver en renere og mere præcis laserstråle.
Det er netop, hvad professor Darko Zibar fra DTU Fotonik arbejder på. Han leder en forskningsgruppe kaldet Machine Learning in Photonic Systems, hvor målet er at udvikle og benytte maskinlæring til at forbedre optiske systemer. Senest har forskere fra gruppen karakteriseret støjen fra et lasersystem fra det danske firma NKT Photonics med en hidtil uset præcision.
”Spørgsmålet er, hvordan man måler den støj, og her har vi udviklet den mest akkurate metode, der findes. Vi kan måle meget mere præcist end andre – vores metode har rekordhøj sensitivitet,” fortæller Darko Zibar.
Han har udviklet en algoritme, der kan analysere og finde mønstre i laserlyset ved hjælp af maskinlæring, hvor en model for støjen hele tiden bliver forbedret. På den baggrund håber forskergruppen at kunne udvikle en form for intelligent filter, som løbende renser laserstrålen for støj.
Kvantemekanik sætter grænsen
Det er noget, NKT Photonics kan udnytte i deres optiske måleinstrumenter, siger seniorforsker Poul Varming og kollegaen Jens E. Pedersen, der har arbejdet sammen med DTU-forskerne:
”Vi arbejder med fiberlasere, der udsender konstant lys, og hvor støjniveauet er specielt lavt. Vores vigtigste opgave er at begrænse støjen, og rent måleteknisk havde vi svært ved at måle støj ude i de meget høje frekvenser,” siger Poul Varming og fortsætter:
”Men så kom vi i kontakt med Darko Zibar og hans gruppe, og vi producerede nogle lasere til dem. Forskerne kunne måle støjen op til meget høje frekvenser, og resultaterne strider faktisk imod den etablerede forståelse af, hvordan støj lægger sig til en laser.”
Med den nye, forbedrede målemetode kunne forskerne altså vise, at det teoretiske grundlag for at beregne støjen ikke var helt på plads. Med det mere detaljerede kendskab til støjen kan ingeniørerne bedre finde frem til de dele af lasersystemet, støjen kommer fra, så de ved, hvor der skal sættes ind med forbedringer. Og håbet er, at maskinlæringssystemet også kan bruges til at dæmpe støjen i realtid.
Helt fri for støj kan man ikke blive, for kvantemekanikkens love sætter en helt fundamental grænse for, hvor god en laser kan være. Kvantestøjen er umulig at blive kvit, men nu kan den i det mindste måles, lyder det fra Darko Zibar:
”Vi kan måle i de frekvenser, hvor kvantestøj er dominerende. På den måde kan vi bestemme den fundamentale støj og finde ud af, hvor meget den bidrager til den totale støj. Når vi kender den fundamentale grænse for, hvor god laseren kan være, kan vi bagefter finde ud af, hvordan vi kan undertrykke resten af støjen.”
”Det er vores næste projekt – hvordan vi først identificerer og så undertrykker støjen, så vi får en laser, der kun er begrænset af kvantestøj. Så vil man kunne lave nogle af verdens bedste lasere.”
Optisk kabel føler vibrationer
Når laserstøjen kendes, kan den bekæmpes efter nogenlunde samme princip, som bruges i støjreducerende hovedtelefoner. Her opfanger mikrofoner lyd fra omgivelserne, og så sendes der et signal i modfase til højttalerne, så støjen og det nye signal udslukker hinanden, og resultatet er stilhed.
Hvis teknikken kan bruges til at forbedre lasere ved at fjerne en stor del af støjen, så lyset stort set ikke varierer i frekvens, kan optiske måleinstrumenter få større følsomhed og længere rækkevidde. Hos NKT Photonics kan teknologien i første omgang blive brugt til distribueret akustisk sensing, hvor et lyslederkabel bruges som sensor til måling af ganske små vibrationer. Distribueret akustisk sensing kan bruges til forskellige former for overvågning. F.eks. kan en optisk fiber lægges langs en olie- eller gasledning, så eventuelle brud lynhurtigt kan opdages. Eller teknologien kan bruges til at overvåge hegnet om en lufthavn eller ved en landegrænse – hvis der klippes hul i hegnet, eller nogen prøver at klatre over, kan teknologien ikke alene fortælle, hvad der er sket, men også hvor det er sket.
Sådan et optisk overvågningssystem fungerer ved, at en laserstråle sendes ind i den optiske fiber, og undervejs tilbagekastes en smule af lyset af bittesmå urenheder i fiberen. Men hvis fiberen påvirkes undervejs, ændres egenskaberne af det tilbagekastede lys også, og det kan måles. Selv ganske svage vibrationer kan opfanges og lokaliseres med stor nøjagtighed.
Overvågning af kabler til energiøerne
Hvis den nye teknologi fra DTU giver en mere effektiv dæmpning af støjen i laserlyset, kan distribueret akustisk sensing bruges over noget længere afstande end i dag. Både følsomheden og rækkevidden af distribueret akustisk sensing kan øges med de mere præcise lasere, og det kan der eksempelvis blive brug for, når strøm skal transporteres fra de kommende energiøer i Nordsøen og ind til fastlandet. Her kan strømkablerne overvåges ved hjælp af teknologien, så eventuelle brud hurtigt kan opdages og udbedres. I dag er det en udfordring, at rækkevidden for de nuværende systemer er begrænset til højst 50 km, og der bliver noget længere ud til energiøen.
Poul Varming nævner desuden, at en række kvanteteknologier kræver ekstremt præcise lasere. Med støjdæmpede lasere bliver det lettere at udvikle ultrapræcise optiske atomure og visse former for kvantecomputere, hvor lasere bruges til at nedkøle enkelte atomer til tæt på det absolutte nulpunkt. Så potentialet er stort for den nye generation af lasersystemer, der kan blive resultatet af forskernes og ingeniørernes anstrengelser.